KR20200040755A - Method for manufacturing parts and parts manufactured according to the above method - Google Patents

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KR20200040755A
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모리츠 베게너
야샤 무사예브
라디슬라우스 도브레니즈키
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은, 부품, 특히 연료 전지 또는 전해조와 같은 에너지 시스템용 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 연속 단계들: a) 500㎛ 미만의 금속판 재료 두께를 갖는 금속판으로부터 제1 롤을 제공하는 단계, b) 상기 제1 롤의 제1 단부를 공급 방향으로 이송함으로써, 제1 롤로부터 금속판을 권출하는 단계, c) 제1 롤의 제1 단부 및 후속하는 금속판 영역을 하나 이상의 코팅 장치를 통과하도록 이송하고, 상기 코팅 장치 내에서 금속판의 적어도 한쪽 면이 물리적 및/또는 화학적 기상 증착 공정에 의해 코팅되게 하는 단계, d) 코팅된 금속판 상에서 하나 이상의 변형 공정을 수행하는 단계, e) 코팅된 금속판으로부터의 절단에 의해 복수의 부품을 형성하는 단계, 및 f) 코팅된 잔여 금속판을 제2 롤로 권취하고, 이때 제1 롤로부터 제2 롤로 금속판의 연속 이송이 수행되는 단계를 포함한다. 본 발명은, 또한 바이폴라 플레이트, 연료 전지 및 전해조에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a component, in particular a component for an energy system, such as a fuel cell or electrolytic cell, the method comprising: continuous steps: a) a first roll from a metal plate having a metal plate material thickness less than 500 μm Providing, b) unwinding the metal plate from the first roll by conveying the first end of the first roll in a feed direction, c) coating one or more regions of the first end of the first roll and subsequent metal plate regions Transporting through the device, causing at least one side of the metal plate to be coated by a physical and / or chemical vapor deposition process within the coating device, d) performing one or more deformation processes on the coated metal plate, e) Forming a plurality of parts by cutting from the coated metal plate, and f) winding the remaining coated metal plate into a second roll, wherein the gold from the first roll to the second roll And a step in which the continuous feeding of the sheet carried out. The present invention also relates to bipolar plates, fuel cells and electrolytic cells.

Figure P1020207003562
Figure P1020207003562

Description

부품을 제조하기 위한 방법 및 상기 방법에 따라 제조된 부품Method for manufacturing parts and parts manufactured according to the above method

본 발명은, 부품, 특히 연료 전지 또는 전해조와 같은 에너지 시스템용 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법에 따라 제조된 부품에 관한 것이다. 본 발명은 또한 바이폴라 플레이트 및 상기 바이폴라 플레이트를 구비한 연료 전지 또는 전해조에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing parts, especially parts for energy systems, such as fuel cells or electrolyzers. The invention also relates to parts manufactured according to the above method. The present invention also relates to a bipolar plate and a fuel cell or electrolytic cell equipped with the bipolar plate.

연료 전지, 특히 중합체 전해질 연료 전지와 같은 전기 화학 시스템, 및 이와 같은 연료 전지를 위한 전도성 집전 플레이트 및 전해조, 그리고 갈바니 전지 및 전해조 내의 집전체가 공지되어 있다.Electrochemical systems such as fuel cells, in particular polymer electrolyte fuel cells, and conductive current collecting plates and electrolyzers for such fuel cells, and current collectors in galvanic cells and electrolytic cells are known.

그 예는 연료 전지, 특히 산소 반전지(half cell) 내의 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트이다. 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트는, 주요 성분으로서 탄소를 함유하는 탄소 플레이트(예컨대 그라포일 플레이트)의 형상으로 형성된다. 이들 플레이트는 부서지기 쉬운 경향이 있고 비교적 두껍기 때문에, 연료 전지의 전력량을 상당히 감소시킨다. 또 다른 한 가지 단점은, 이들 플레이트의 물리적인(예컨대 열역학적인) 그리고/또는 화학적인 그리고/또는 전기적인 안정성이 불충분한다는 점이다.Examples are fuel cells, in particular bipolar plates or monopolar plates in oxygen half cells. The bipolar plate or monopolar plate is formed in the shape of a carbon plate containing carbon as a main component (for example, a graphoil plate). Since these plates tend to be brittle and are relatively thick, they significantly reduce the amount of power in the fuel cell. Another disadvantage is the insufficient physical (eg thermodynamic) and / or chemical and / or electrical stability of these plates.

또한, 금속성(특히 오스테나이트계) 스테인리스강으로 이루어진 연료 전지의 집전 플레이트의 제조도 공지되어 있다. 이와 관련해서는, 예를 들어 DE 10 2010 026 330 A1호를 참조한다. 이들 플레이트의 장점은, 플레이트의 더 얇은 두께가 달서될 수 있다는 데 있다. 연료 전지의 설치 공간뿐만 아니라 중량도 가급적 작게 유지될 수 있도록 하기 위하여, 얇은 두께가 지향된다. 하지만, 이와 같은 플레이트의 제조는 복잡한데, 그 이유는 이들 플레이트에 유동 가이드 경로 및 추가로 통상 부식을 방지하는 표면 코팅이 제공되어야 하기 때문이다. 그러므로 제조 비용의 관점에서 이와 같은 바이폴라 플레이트의 제조 공정은 현재로서는 아직 충분히 효율적이지 않다.In addition, the manufacture of a current collector plate for a fuel cell made of metallic (especially austenitic) stainless steel is also known. In this regard, see for example DE 10 2010 026 330 A1. The advantage of these plates is that the thinner thickness of the plate can be sweetened. In order to keep the weight as well as the installation space of the fuel cell as small as possible, a thin thickness is directed. However, the manufacture of such plates is complex because these plates must be provided with a flow guide path and additionally a surface coating that normally prevents corrosion. Therefore, in view of manufacturing cost, the manufacturing process of such a bipolar plate is not sufficiently efficient at present.

DE 10 2009 056 728 A1호는, 판금 블랭크의 변형에 의한 판금 부품의 제조를 개시하고 있다. 변형 단계 전에 적용된 코팅이 차후의 변형에 의해 손상될 수 있는 점이 단점으로 기술되어 있다.DE 10 2009 056 728 A1 discloses the production of sheet metal parts by deformation of sheet metal blanks. The disadvantage is that the coating applied before the deformation step can be damaged by subsequent deformation.

DE 10 2010 056 016 A1호는, 바이폴라 플레이트를 제조하기 위한 장치를 개시하고 있으며, 이 경우 금속 기판 스트립을 가공할 때 롤-투-롤(roll to roll) 공정이 사용된다. 이 공정에서는, 추후 레이저 용접에 의해 하나의 바이폴라 플레이트로 접합되는 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트를 형성하기 위해, 2개의 금속 기판 스트립이 병행 가공된다. 기술된 인라인 방법에 대해서는, 각각의 금속 기판 스트립을 위해 시간상 병행 실시되는 변형 공정, 절단 공정, 교정 공정, 코팅 공정, 세정 공정, 폴딩 공정, 가열 공정, 냉각 공정 및/또는 여타의 공정들의 실행이 언급되어 있다.DE 10 2010 056 016 A1 discloses an apparatus for manufacturing a bipolar plate, in which case a roll-to-roll process is used when processing a metal substrate strip. In this process, two metal substrate strips are processed in parallel to form an anode plate and a cathode plate which are later joined by laser welding to one bipolar plate. For the described inline method, the execution of a deformation process, a cutting process, a calibration process, a coating process, a cleaning process, a folding process, a heating process, a cooling process and / or other processes performed in parallel for each metal substrate strip is performed. Is mentioned.

DE 100 58 337 A1호는, 적어도 한 쪽 면에 금속 산화물 코팅을 구비하는, 바이폴라 플레이트로서 사용하기 위한 판금 제품을 개시하고 있다. 이 플레이트는, 변형에 의해 제조된 엠보싱을 가지며, 이 경우 코팅은 변형 공정 전후에 판금 상에 도포될 수 있다.DE 100 58 337 A1 discloses a sheet metal product for use as a bipolar plate, having a metal oxide coating on at least one side. This plate has embossing produced by deformation, in which case the coating can be applied on the sheet metal before and after the deformation process.

그렇기 때문에, 본 발명의 과제는, 부품, 특히 연료 전지 또는 전해조와 같은 에너지 시스템용 부품을 제조하기 위한 더 효율적인 방법을 제공하는 것이다.Therefore, it is an object of the present invention to provide a more efficient method for manufacturing parts, especially parts for energy systems such as fuel cells or electrolyzers.

상기 과제는, 본 발명에 따라 다음 단계들:The above task, in accordance with the present invention, the following steps:

a) 500㎛ 미만의 금속판 재료 두께를 갖는 금속판으로부터 제1 롤을 제공하는 단계,a) providing a first roll from a metal plate having a metal plate material thickness of less than 500 μm,

b) 제1 롤의 제1 단부를 공급 방향으로 이송함으로써, 제1 롤로부터 금속판을 권출하는 단계,b) unwinding the metal plate from the first roll by conveying the first end of the first roll in the supply direction,

c) 제1 롤의 제1 단부 및 후속하는 금속판 영역을 하나 이상의 코팅 장치를 통해 이송하며, 상기 코팅 장치 내에서 금속판의 적어도 한 쪽 면을 물리적 및/또는 화학적 기상 증착 공정에 의해 코팅하는 단계,c) transferring the first end of the first roll and the subsequent metal plate area through one or more coating devices, and coating at least one side of the metal plate in the coating device by a physical and / or chemical vapor deposition process,

d) 코팅된 금속판 상에서 하나 이상의 변형 공정을 수행하는 단계,d) performing one or more deformation processes on the coated metal plate,

e) 코팅된 금속판으로부터의 절단에 의해 복수의 부품을 형성하는 단계, 및e) forming a plurality of parts by cutting from the coated metal plate, and

f) 코팅된 잔여 금속판을 제2 롤로 권취하고, 이때 제1 롤로부터 제2 롤로 금속판의 연속 이송이 수행되는 단계f) winding the coated residual metal plate with a second roll, wherein the continuous transfer of the metal plate from the first roll to the second roll is performed

를 포함하는, 부품, 특히 연료 전지 또는 전해조와 같은 에너지 시스템용 부품을 제조하기 위한 방법에 의해 해결된다.It is solved by a method for manufacturing parts, especially parts for energy systems, such as fuel cells or electrolytic cells, including.

금속판은, 본 발명에 따라 롤-투-롤 공정으로 코팅된다. 그 후에 비로소, 코팅된 금속판의 변형 및 코팅된 금속판으로부터 형성되는 부품들의 분리가 실시된다. 이 공정은, 코팅 동안 금속판의 핸들링을 간소화하고, 코팅된 금속판의 신속하고 자동화된 핸들링을 가능하게 한다. 부품들의 분리 후에 남아 있는 코팅된 금속 스트립의 웨브는 제2 롤에 권취된다. 놀랍게도 금속판 상의 코팅이 후속하는 변형 공정 및 절단 공정에 의해 전혀 손상되지 않거나 약간만 손상됨에 따라, 전기적 특성은 에너지 시스템에서 부품들을 사용하기에 적합하다.The metal plate is coated in a roll-to-roll process according to the invention. After that, deformation of the coated metal plate and separation of parts formed from the coated metal plate are performed. This process simplifies the handling of the metal plate during coating and enables quick and automated handling of the coated metal plate. The web of coated metal strip remaining after separation of the parts is wound on a second roll. Surprisingly, as the coating on the metal plate is not damaged at all or only slightly by subsequent deformation and cutting processes, the electrical properties are suitable for use with components in energy systems.

금속판으로 이루어진 제1 롤이 자신의 단부에 근접하고, 이때 상기 제1 단부의 맞은편에 놓인 금속판의 제2 단부가 릴(reel)로부터 권출되면, 상기 금속판의 제2 단부는 바람직하게 금속판의 새로운 제1 롤의 제1 단부와 예를 들어 용접에 의해 연결된다. 이로써, 제조 공정이 자동화되어 롤-투-롤의 "인라인" 방식으로 연속으로 작동될 수 있다.When a first roll made of a metal plate is close to its end, and the second end of the metal plate lying opposite the first end is unwound from a reel, the second end of the metal plate is preferably a new metal plate. The first end of the first roll is connected, for example by welding. Thereby, the manufacturing process can be automated and operated continuously in a roll-to-roll "in-line" manner.

본 방법의 바람직한 일 실시예에서는, 100 내지 200㎛의 범위 내의 재료 두께를 갖는 금속판이 사용된다. 바람직하게, 금속판은 강 또는 스테인리스강, 특히 오스테나이트계 스테인리스강이다. 대안적으로 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어진 금속판이 사용될 수 있다.In one preferred embodiment of the method, a metal plate having a material thickness in the range of 100 to 200 μm is used. Preferably, the metal plate is steel or stainless steel, especially austenitic stainless steel. Alternatively, a metal plate made of titanium or titanium alloy can be used.

하나 이상의 변형 공정은 특히 딥 드로잉 및/또는 압출 가공 및/또는 하이드로포밍을 포함한다. 그러나 DIN 8582에 규정된 바와 같은 또 다른 변형 공정 및 금속판의 절단도, 이미 코팅된 금속판 상에서 수행될 수 있다.One or more deformation processes include, inter alia, deep drawing and / or extrusion processing and / or hydroforming. However, another modification process as defined in DIN 8582 and cutting of the metal plate can also be performed on an already coated metal plate.

바이폴라 플레이트용으로 통상적으로 제공되는 가스 분배 구조물의 형성은 바람직하게 변형 및/또는 전단 절단에 의해 수행된다.The formation of a gas distribution structure, which is usually provided for bipolar plates, is preferably carried out by deformation and / or shear cutting.

코팅되고 변형된 금속판으로부터 부품을 절단하는 공정은 특히 전단 절단에 의해, 바람직하게는 스탬핑에 의해 수행된다.The process of cutting a part from a coated and deformed metal plate is carried out in particular by shear cutting, preferably by stamping.

하나 이상의 코팅 장치에 의해 특히, 금속판으로부터 먼 쪽을 향하는 커버층을 포함하는 층 시스템이 금속판 상에 제공되고, 상기 커버층은 동종의 또는 이종의 금속 고용체로부터 형성되며, 이 고용체는 이리듐 형태의 귀금속 군으로부터 선택된 제1 화학 원소를 99At.-% 이상의 농도로 함유하거나, 이리듐 형태의 귀금속 군으로부터 선택된 제1 화학 원소 및 루테늄 형태의 귀금속 군으로부터 선택된 제2 화학 원소를 함유하며, 이때 제1 화학 원소와 제2 화학 원소 원소는 총 99At.-% 이상의 농도로 존재하며, 나아가 질소, 탄소, 불소를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 비금속(base metal) 화학 원소를 함유하고, 또한 선택적으로 산소 및/또는 수소가 미량으로만 존재한다.By means of one or more coating devices, a layer system is provided on a metal plate, in particular comprising a cover layer facing away from the metal plate, the cover layer being formed from a homogeneous or heterogeneous metal solid solution, the solid solution being a precious metal in the form of iridium Contains a first chemical element selected from the group at a concentration of 99At .-% or more, or a first chemical element selected from the group of precious metals in the form of iridium and a second chemical element selected from the group of precious metals in the form of ruthenium, wherein the first chemical element And the second chemical element element is present in a total concentration of 99At .-% or more, and further contains one or more base metal chemical elements selected from the group containing nitrogen, carbon, and fluorine, and also optionally oxygen and / or Hydrogen is only present in trace amounts.

상기 커버층은 본 발명에 따른 방법에 매우 뛰어난 적합성과 충분한 연성을 가짐으로써, 금속판 상에 제공된 후에 실시되는 변형 공정에 의해 전혀 손상되지 않거나 약간만 손상된다. 이와 같은 커버층은, 변형 공정 및 분리 공정 후에도 여전히 충분한 전기 전도성, 전기 촉매 활성 및 부식 방지성을 갖도록 형성된다.The cover layer has very good suitability and sufficient ductility for the method according to the invention, so that it is not damaged at all or only slightly by the deformation process carried out after being provided on the metal plate. Such a cover layer is formed so as to still have sufficient electrical conductivity, electrocatalytic activity, and anti-corrosion property after the deformation process and separation process.

동종의 금속 용액(유형 1)이란, 호스트 금속 또는 호스트 금속 합금의 격자 유형이 실질적으로 변하지 않도록, 언급된 비금속 화학 원소들이 금속 격자 내에서 용해되어 있음을 의미한다.Homogeneous metal solution (Type 1) means that the non-metallic chemical elements mentioned are dissolved in the metal lattice so that the lattice type of the host metal or host metal alloy does not substantially change.

이종의 금속 용액이란, 금속을 함유하는 상 외에, 비금속 화학 원소들 중 하나도 혼합상으로 기본적으로 존재함을 의미한다. 이로써, 예를 들어 상 다이어그램의 특성에 따라 알파 상(유형 1) 외에 원소 탄소가 존재할 수 있다. 증착 조건에 따라, 본 발명에 따른 층은 열역학적 관점에서 준안정적이거나 안정적일 수 있다.The heterogeneous metal solution means that, in addition to the metal-containing phase, one of the non-metal chemical elements is basically present as a mixed phase. Thereby, for example, elemental carbon may be present in addition to the alpha phase (type 1) depending on the characteristics of the phase diagram. Depending on the deposition conditions, the layer according to the invention can be metastable or stable from a thermodynamic point of view.

탄소 함유 커버층을 사용함으로써, 그리고 이와 더불어 준금속 혹은 비금속 화학 원소인 탄소를 사용함으로써, 커버층의 전도성이 금보다 높고, 그와 동시에 산성 용액 내에서의 커버층의 산화 안정성이 표준 수소 전극의 2000mV의 전압보다 명백히 더 높다는 점이 확인되었다. (표준화된 조건하에서, 다시 말해 140N/㎠의 압착력에서) 측정된 비 전기 저항은 실시예에 따라 금과 대등할 수 있다. 금의 비 전기 저항은 실온(T = 20℃)에서 대략 10mΩ·㎝-2이다.By using a carbon-containing cover layer and, in addition, using a metal that is a metalloid or nonmetallic chemical element, the conductivity of the cover layer is higher than that of gold, and at the same time, the oxidation stability of the cover layer in an acidic solution is that of a standard hydrogen electrode. It was confirmed that it was clearly higher than the voltage of 2000mV. The measured specific electrical resistance (under standardized conditions, ie at a compressive force of 140 N / cm 2) can be equivalent to gold, depending on the embodiment. The specific electrical resistance of gold is approximately 10 mΩ · cm −2 at room temperature (T = 20 ° C).

또 다른 중요한 장점은, 이리듐이 값 "E = 2.04 - 0.059 Ig pH- -0.0295 Ig (Ir04)2-"를 초과하는 전압에서는 산화 및 용해되지 않는다는 것이다. 즉, 고용체 내에서는, 대략 1800mV에서 1mol/l (1N 농축된) 황산(H2SO4) 내에서 통상적인 산화가 더 이상 일어나지 않을 정도로, 낮은 값의 이리듐이 안정화된다. 안정화에 대한 척도는, 고용체 또는 고체 화합물의 자유로운 부분 혼합 에너지(ΔG혼합)에서의 이득이다.Another important advantage is that iridium does not oxidize and dissolve at voltages above the value "E = 2.04-0.059 Ig pH- -0.0295 Ig (Ir0 4 ) 2- ". That is, in the solid solution, the low value of iridium is stabilized such that conventional oxidation no longer occurs in 1 mol / l (1N concentrated) sulfuric acid (H 2 SO 4 ) at approximately 1800 mV. A measure for stabilization is the gain in free partial mixing energy (ΔG mixing ) of solid solutions or solid compounds.

커버층은, 바람직하게 1㎚ 이상 내지 10㎚ 이하의 층 두께로 적층된다. 이와 같은 매우 작은 층 두께에도 불구하고, 코팅된 금속판의 변형은 놀랍게도 가능하다.The cover layer is preferably laminated with a layer thickness of 1 nm or more to 10 nm or less. Despite this very small layer thickness, deformation of the coated metal sheet is surprisingly possible.

하나 이상의 비금속 화학 원소, 다시 말해 탄소 및/또는 질소 및/또는 불소는 바람직하게 0.1At.-% 내지 1At.-% 범위의 농도로 커버층 내에 존재한다. 특히, 비금속 화학 원소 탄소는 0.10 내지 1At.-%의 농도 범위로 커버층 내에 함유된다. 특히, 비금속 화학 원소 질소는 0.10 내지 1At.-%의 농도 범위로 커버층 내에 함유된다. 특히, 비금속 화학 원소 불소는 최대 0.5At.-% 이하의 농도 범위로 커버층 내에 함유된다.One or more non-metallic chemical elements, ie carbon and / or nitrogen and / or fluorine, are preferably present in the cover layer at a concentration in the range of 0.1At .-% to 1At .-%. In particular, the non-metallic chemical element carbon is contained in the cover layer in a concentration range of 0.10 to 1At .-%. In particular, the non-metallic chemical element nitrogen is contained in the cover layer in a concentration range of 0.10 to 1At .-%. In particular, the non-metallic chemical element fluorine is contained in the cover layer in a concentration range of up to 0.5At .-% or less.

특히,Especially,

a) 99At.-% 이상의 이리듐 및 추가로 탄소를 포함하거나,a) 99At .-% or more of iridium and additionally carbon, or

b) 99At.-% 이상의 이리듐 및 추가로 탄소 및 미량의 산소 및/또는 수소를 포함하거나,b) at least 99At .-% iridium and additionally carbon and traces of oxygen and / or hydrogen, or

c) 99At.-% 이상의 이리듐 및 추가로 탄소 및 불소, 선택적으로 미량의 산소 및/또는 수소를 더 포함하거나,c) at least 99At .-% of iridium and further carbon and fluorine, optionally further traces of oxygen and / or hydrogen, or

d) 총 15 내지 98.9At.-%의 이리듐 및 0.1 내지 84At.-%의 루테늄 및 추가로 탄소를 포함하거나,d) total 15 to 98.9At .-% of iridium and 0.1 to 84At .-% of ruthenium and further carbon, or

e) 총 15 내지 98.9At.-%의 이리듐 및 0.1 내지 84At.-%의 루테늄 및 추가로 탄소 및 미량의 산소 및/또는 수소를 포함하거나,e) 15 to 98.9At .-% total iridium and 0.1 to 84At .-% ruthenium and further carbon and traces of oxygen and / or hydrogen, or

f) 총 15 내지 98.9At.-%의 이리듐 및 0.1 내지 84At.-%의 루테늄 및 추가로 탄소 및 불소, 선택적으로 미량의 산소 및/또는 수소를 더 포함하는 커버층이 적합한 것으로 입증되었다.f) A cover layer further comprising 15 to 98.9At .-% total iridium and 0.1 to 84At .-% ruthenium and additionally carbon and fluorine, optionally traces of oxygen and / or hydrogen, has been found suitable.

또한, 커버층은, 비금속 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소를 함유할 수 있다. 이 경우, 비금속 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소는 바람직하게 알루미늄, 철, 니켈, 코발트, 아연, 세륨 또는 주석으로 형성되고, 그리고/또는 코팅 내에 0.005 내지 0.01At.-%의 농도 범위로 함유된다.Further, the cover layer may contain one or more chemical elements selected from the group of non-metals. In this case, one or more chemical elements selected from the non-metallic group are preferably formed of aluminum, iron, nickel, cobalt, zinc, cerium or tin, and / or contained in the coating in a concentration range of 0.005 to 0.01At .-%.

커버층의 또 다른 바람직한 일 실시예에서, 상기 커버층은, 내화성 금속 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소, 특히 티타늄 및/또는 지르코늄 및/또는 하프늄 및/또는 니오븀 및/또는 탄탈륨을 함유한다. 내화성 금속의 첨가에 의해, 전기 분해 동안 생성되는 H2O2 및 오존이 추가로 비율적으로 제어되는 것으로 나타났다.In another preferred embodiment of the cover layer, the cover layer contains one or more chemical elements selected from the group of refractory metals, in particular titanium and / or zirconium and / or hafnium and / or niobium and / or tantalum. It has been shown that by the addition of refractory metals, the H 2 O 2 and ozone produced during electrolysis are further controlled proportionately.

상기와 같은 금속을 - 원소 형태로 또는 화합물 형태로 - 사용할 경우의 또 다른 장점은, 이들 금속이 부식 조건 하에서 자체 보호성의 안정적인 전도성 산화물을 형성한다는 것이다.Another advantage of using such metals-in elemental or compound form-is that these metals form a self-protecting stable conductive oxide under corrosive conditions.

하나 이상의 내화성 금속을 포함하는 커버층은 특히 0 내지 대략 200℃의 온도 범위에서 높은 전도성 및 높은 내식성을 갖는다. 따라서, 예컨대 연료 전지 내에서 영구적으로 사용하기 위한 탁월한 특성이 구현된다.Cover layers comprising one or more refractory metals have high conductivity and high corrosion resistance, particularly in the temperature range of 0 to approximately 200 ° C. Thus, for example, excellent properties for permanent use in fuel cells are realized.

또 다른 한 가지 장점은, 전기 전도체가 예컨대 저온 중합체 전해질 연료 전지용의 바이폴라 플레이트처럼 형성되었는지, 아니면 고온 중합체 전해질 연료 전지용의 바이폴라 플레이트처럼 형성되었는지의 여부와 상관없이, 특히 금속 바이폴라 플레이트와 같은 전기 전도체의 코팅으로부터 도출된다.Another advantage is whether the electrical conductor is formed, for example, like a bipolar plate for a low temperature polymer electrolyte fuel cell or a bipolar plate for a high temperature polymer electrolyte fuel cell, especially for electrical conductors such as metal bipolar plates. Derived from the coating.

내화성 금속 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소는 바람직하게 0.005 내지 0.01At.-%의 농도 범위로 커버층 내에 함유된다.One or more chemical elements selected from the group of refractory metals are preferably contained in the cover layer in a concentration range of 0.005 to 0.01At .-%.

비금속 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소가 주석의 형태로 존재하는 한, 이 원소 및 내화성 금속 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소는 함께 0.01 내지 0.2At.-%의 농도 범위로 커버층 내에 함유된다.As long as at least one chemical element selected from the non-metal group is present in the form of tin, this element and at least one chemical element selected from the refractory metal group are contained together in the cover layer in a concentration range of 0.01 to 0.2At .-%.

커버층이 또한 귀금속 군으로부터 선택된 하나 이상의 추가 화학 원소를 0.005 내지 0.9At.-%의 농도 범위로 포함하는 경우도 적합하다고 입증되었다. 귀금속 군으로부터 선택된 화학 원소는 특히 백금, 금, 은, 로듐, 팔라듐이다.It has also been demonstrated that the cover layer is also suitable when it comprises at least one additional chemical element selected from the group of precious metals in a concentration range of 0.005 to 0.9At .-%. Chemical elements selected from the group of precious metals are in particular platinum, gold, silver, rhodium, and palladium.

귀금속 군의 모든 화학 원소가, 다시 말해 이리듐 및 루테늄과 함께 99At.-% 초과의 농도 범위로 커버층 내에 함유되는 것이 적합하다고 입증되었다.It has been demonstrated that all the chemical elements of the precious metal group, i.e., iridium and ruthenium, are contained in the cover layer in a concentration range of greater than 99At .-%.

금속판 상에서의 부식 방지는, 금속판과 커버층 사이에 형성된 하위층 시스템상에 커버층이 제공됨으로써 더욱 개선된다. 이는, 부식성 주변 매질이 존재하는 경우에, 특히 부식 매질이 염화물을 함유하는 경우에 특히 장점이 된다.Corrosion protection on the metal plate is further improved by providing a cover layer on a lower layer system formed between the metal plate and the cover layer. This is particularly advantageous when a corrosive ambient medium is present, especially when the corrosion medium contains chloride.

하부 산화, 다시 말해, 표면 상에 커버층이 적층된 금속판의 표면 산화는 일반적으로 그 위에 올려져 있는 귀금속 층의 박리를 유도한다.The lower oxidation, that is, the surface oxidation of the metal plate with the cover layer laminated on the surface, generally leads to peeling of the precious metal layer on it.

그렇기 때문에, 나아가 층 시스템은 바람직하게 하위층 시스템을 포함하여 형성되며, 이 경우 하위층 시스템은 티타늄, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 탄탈륨 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소를 포함하는 하나 이상의 하위층을 갖는다.As such, the layer system is further preferably formed by including a sub-layer system, in which case the sub-layer system has at least one sub-layer comprising at least one chemical element selected from the group titanium, niobium, hafnium, zirconium, tantalum.

따라서, 층 시스템은 커버층 및 하위층 시스템을 포함하며, 이 경우 커버층은 금속판으로부터 먼 쪽을 향하여 배치된다.Thus, the layer system comprises a cover layer and a sub-layer system, in which case the cover layer is arranged towards the far side from the metal plate.

하위층 시스템은, 특히 화학 원소 티타늄 및 니오븀, 특히 20 내지 50중량-%의 니오븀 및 잔량의 티타늄을 포함하는, 금속 합금 층 형태의 제1 하위층을 포함하여 형성된다.The sublayer system is formed comprising a first sublayer in the form of a metal alloy layer, in particular comprising the chemical elements titanium and niobium, in particular 20 to 50% by weight of niobium and the balance of titanium.

하위층 시스템은, 특히 티타늄, 니오븀, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소 및 질소, 탄소, 붕소, 불소 군으로부터 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 더 포함하는 제2 하위층을 추가로 포함하여 형성된다.The sub-layer system is further formed in particular comprising a second sub-layer further comprising at least one chemical element selected from the group titanium, niobium, zirconium, hafnium, tantalum and at least one non-metallic element selected from the group nitrogen, carbon, boron, fluorine. .

특히 바람직한 일 실시예에서, 제2 하위층은 하기 화학 원소,In one particularly preferred embodiment, the second sub-layer has the following chemical element,

a) 티타늄, 니오븀 및 추가로 탄소 및 불소, 또는a) titanium, niobium and additionally carbon and fluorine, or

b) 티타늄, 니오븀 및 추가로 질소b) titanium, niobium and additional nitrogen

를 포함하여 형성된다.It is formed including.

특히, 제2 하위층은 (Ti0 . 67Nb0 . 33)1 - xNx로 형성되며, 여기서 x = 0.40 내지 0.55이다. 이 경우, 재료는, 제2 하위층이 Ti0 . 67Nb0 .33으로 이루어진 타깃의 미립화(atomization)에 의해 생성되는 방식으로, (Ti0 . 67Nb0 . 33)1 - xNx(여기서, x = 0.40 내지 0.55)라는 명칭으로 형성되며, 이 경우 제2 하위층 내로는 기상의 질소가 40 내지 55At.-%의 농도로 함침된다.In particular, the second sub-layer is (Ti 0 67 Nb 0 33. .) 1 - is formed by x N x, where x = 0.40 to 0.55. In this case, the material has a second sub-layer of Ti 0 . 67 in a manner that is generated by Nb 0 .33 atomization (atomization) of the target made of, (Ti 0 67 Nb 0 33 ..) 1 - x N x is formed in a name '(where, x = 0.40 to 0.55), In this case, nitrogen in the gas phase is impregnated into the second lower layer at a concentration of 40 to 55At .-%.

제2 하위층은 바람직하게 제1 하위층과 커버층 사이에 배치된다.The second sub-layer is preferably disposed between the first sub-layer and the cover layer.

제2 하위층은 5At.-% 이하의 산소를 더 함유할 수 있다.The second sub-layer may further contain up to 5At .-% oxygen.

본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는, 본 발명에 따른 방법에 따라 제조된 하나 이상의 부품을 포함한다. 특히, 이와 같은 바이폴라 플레이트는 서로 연결된 2개 이상의 부품을 포함한다. 이 경우, 부품들은 접합, 특히 용접, 납땜, 관통 접합 또는 접착에 의해, 또는 리벳 이음이나 나사 결합에 의해서도 서로 연결될 수 있다.The bipolar plate according to the invention comprises one or more parts made according to the method according to the invention. In particular, such a bipolar plate includes two or more parts connected to each other. In this case, the parts can be connected to each other by joining, in particular by welding, soldering, through joining or gluing, or by rivet joints or screwing.

본 발명에 따른 연료 전지, 특히 중합체 전해질 연료 전지는 상기와 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 바이폴라 플레이트를 포함한다. 본 발명에 따른 전해조도 마찬가지로 상기와 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 바이폴라 플레이트를 포함한다.The fuel cell according to the invention, in particular the polymer electrolyte fuel cell, comprises at least one bipolar plate according to the invention as described above. The electrolyzer according to the invention likewise comprises one or more bipolar plates according to the invention as described above.

상기와 같은 연료 전지, 특히 중합체 전해질 연료 전지는, 제조 비용이 낮으면서도 전기적 갑들 및 내식성과 관련하여 매우 바람직한 것으로 입증되었다. 특히, 2000mV에서, 표면 저항의 변동으로서 측정했을 때(mΩ·㎝-2 단위), 20mΩ·㎝-2 미만의 산화 안정성이 달성될 수 있다. 그렇기 때문에, 이와 같은 연료 전지는, 고정식 용례에서 10년 이상의, 또는 자동차의 5,000 작동 시간 이상 또는 60,000 작동 시간 이상의 긴 수명을 갖는다.Such fuel cells, in particular polymer electrolyte fuel cells, have proven to be very desirable in terms of electrical cuffs and corrosion resistance with low manufacturing costs. In particular, at 2000 mV, when measured as a change in surface resistance (in units of mΩ · cm −2 ), an oxidation stability of less than 20 mΩ · cm −2 can be achieved. As such, such fuel cells have a long lifespan of at least 10 years, or more than 5,000 operating hours or 60,000 operating hours of automobiles in stationary applications.

연료 전지와 관련하여 반대 작용 원리로 동작하고, 전류를 이용해서 화학 반응, 다시 말해 물질 변환을 야기하는 본 발명에 따른 전해조에 의해, 대등하게 긴 수명이 달성될 수 있다. 특히, 전해조는 수소 전기 분해에 적합한 전해조이다.With the electrolytic cell according to the invention, which operates on the principle of opposite action with respect to the fuel cell, and which uses a current to cause a chemical reaction, i.e. material conversion, an equally long service life can be achieved. In particular, the electrolytic cell is an electrolytic cell suitable for hydrogen electrolysis.

바람직한 방식으로, 제2 하위층의 저항 증가성 산화로부터 보호하기 위해서는, 10㎚ 미만의 커버층 두께로 충분하다. 확실한 부식 방지부를 형성하기 위해, 하위층 시스템의 부분층들이 하나 이상의 내화성 금속으로 형성되며, 상기 하나 이상의 내화성 금속은 강, 특히 스테인리스강 위에 적어도 2층으로, 더 정확하게는 먼저 금속 층 또는 합금 층(= 제1 하위층)으로서 도포되고, 그 다음에 준금속 층(= 제2 하위층)으로서 도포된다. 커버층 아래에 2개의 층을 이용하여 형성된 이중층은, 한 편으로 금속판에 대한 전기 화학적 적응을 보장하고, 다른 한 편으로 산화 공정 및 가수 분해 공정으로 인한 기공 형성이 배제된다.In a preferred manner, a cover layer thickness of less than 10 nm is sufficient to protect against resistive oxidation of the second sub-layer. To form a positive corrosion protection, the sublayers of the lower layer system are formed of one or more refractory metals, the one or more refractory metals being at least two layers over steel, especially stainless steel, more precisely firstly a metal layer or alloy layer (= First sub-layer) and then as a semi-metal layer (= second sub-layer). The double layer formed by using two layers under the cover layer ensures electrochemical adaptation to the metal plate on one side and pore formation due to oxidation and hydrolysis processes on the other side is excluded.

금속판에 대한 전기 화학적 적응이 필요한 이유는, 준금속 층(= 제2 하위층)뿐만 아니라 커버층도 매우 귀하기 때문이다. 기공 형성 시, 허용되지 않는 부식 전류의 결과로 높은 국부 원소 전위가 생성될 수 있다. 금속성의 제1 하위층은 바람직하게, 예를 들어 강, 특히 스테인리스강 형태의 캐리어 재료보다 덜 귀한(less noble) 티타늄 또는 니오븀 또는 지르코늄 또는 탄탈륨 또는 하프늄 또는 이들 금속의 합금으로 형성되고, 먼저 부식 과정 중에 반응하여 불용성 산화물을 형성하거나 이와 같은 내화성 금속의, 부분 겔 형태의 부피가 큰 수산기 화합물을 형성한다. 그로 인해 기공이 성장하여 기본 재료 또는 금속판을 부식으로부터 보호한다. 이 과정은 층 시스템의 자기 회복(self-healing) 과정이다.The reason for the electrochemical adaptation to the metal plate is that the cover layer as well as the semi-metal layer (= second sub-layer) is very precious. When forming pores, high local element potentials can be created as a result of unacceptable corrosion currents. The metallic first sub-layer is preferably formed of titanium or niobium or zirconium or tantalum or hafnium or alloys of these metals, which are less noble than carrier materials in the form of, for example, stainless steel, in particular of stainless steel, first during the corrosion process Reactions form insoluble oxides or bulky hydroxyl compounds in the form of partial gels of such refractory metals. The pores thereby grow to protect the base material or metal plate from corrosion. This is a self-healing process of the layer system.

특히, 질화물 층 형태의 제2 하위층은 수소 배리어로서 이용되고, 이로써 특히 스테인리스강으로 이루어진 바이폴라 플레이트의 금속판뿐만 아니라 금속성의 제1 하위층까지도 수소 취성으로부터 보호한다.In particular, the second sub-layer in the form of a nitride layer is used as a hydrogen barrier, thereby protecting not only the metal plate of the bipolar plate made of stainless steel, but also the metallic first sub-layer from hydrogen embrittlement.

본 발명의 또 다른 장점들, 특징들 및 세부 사항은 바람직한 실시예들 및 도면들에 대한 이하의 상세한 설명에 명시되어 있다. 앞의 상세한 설명에 언급된 특징들 및 특징 조합들은, 각각 명시된 조합의 형태로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 또 다른 조합으로 또는 단독으로도 사용될 수 있다.Still other advantages, features and details of the invention are set forth in the detailed description of the preferred embodiments and figures below. The features and feature combinations mentioned in the preceding detailed description can be used in the form of combinations specified respectively, as well as in other combinations or alone without departing from the scope of the invention.

도 1은 제안된 방법에 대한 공정 흐름의 개략도이다.
도 2는 제안된 방법에 따라 형성된 부품을 도시한 도이다.
도 3은 적층된 층 시스템의 영역에서 도 2에 따른 부품을 절단한 단면도이다.
1 is a schematic diagram of a process flow for the proposed method.
2 is a view showing parts formed according to the proposed method.
3 is a cross-sectional view of the part according to FIG. 2 in the region of a layered layer system.

도 1은, 부품(1a, 1b, 1c)을 제조하기 위해 제안된 방법에 대한 공정 흐름을 개략적으로 보여주며, 여기서는 금속판(2)으로부터 제1 롤(20)이 제공되고, 금속판(2)이 롤-투-롤 공정에서 제1 릴(30)로부터 권출되어 제2 릴(30')의 방향으로 이송된다. 이 경우, 금속판(2)의 재료 두께는 500㎛ 미만이다.1 schematically shows a process flow for the proposed method for manufacturing the parts 1a, 1b, 1c, wherein a first roll 20 is provided from the metal plate 2, and the metal plate 2 is In the roll-to-roll process, it is unwound from the first reel 30 and transferred in the direction of the second reel 30 '. In this case, the material thickness of the metal plate 2 is less than 500 μm.

제1 롤(20)의 제1 단부의 이송 및 그에 후속하는 금속판 영역의 이송은, 하위층 시스템(4)(도 3 참조)이 형성되는 하나 이상의 제1 코팅 장치(200a)를 통과해서 실시된다. 이때, 금속판(2)은 적어도 한 쪽 면이 물리적 및/또는 화학적 기상 증착 공정에 의해 코팅되며, 이 경우 금속판(2)의 전면 코팅이 실시될 수 있거나 부분 코팅만 실시될 수 있다.The transfer of the first end of the first roll 20 and subsequent transfer of the metal plate area is carried out through one or more first coating devices 200a in which the lower layer system 4 (see FIG. 3) is formed. At this time, the metal plate 2 is coated on at least one side by a physical and / or chemical vapor deposition process, in which case the entire surface of the metal plate 2 may be coated or only partial coating may be performed.

금속 스트립(2) 및 후속하는 금속판 영역은 계속해서, 커버층(3a)(도 3 참조)이 형성될 하나 이상의 제2 코팅 장치(200b)를 통과해서 이송된다. 이 경우, 금속판(2)은 적어도 한 쪽 면이 물리적 및/또는 화학적 기상 증착 공정에 의해, 적어도 하위층 시스템(4)의 영역에서, 코팅된다.The metal strip 2 and the subsequent metal plate region are subsequently conveyed through one or more second coating devices 200b on which the cover layer 3a (see FIG. 3) will be formed. In this case, the metal plate 2 is coated on at least one side by a physical and / or chemical vapor deposition process, at least in the region of the lower layer system 4.

코팅된 금속판(2')은 이제 하나 이상의 변형 유닛(300) 내로 이송된다. 그곳에서, 특히 가스 분배 구조물(5)의 형성을 위해, 코팅된 금속판(2')에서 변형 공정이 수행된다. 이때, 코팅된 금속판(2')이 3차원적으로 변형되고, 경우에 따라서는 또 다른 변형 유닛 및/또는 전단 가공(shearing) 유닛(400) 내에서 상기 코팅된 금속판 내에 슬롯 또는 리세스가 형성되기도 한다. 코팅 및 변형된 금속판(2")은, 복수의 부품(1a, 1b, 1c)을 형성하기 위해 스탬핑 유닛(500)에 공급된다. 코팅되고 변형된 금속판(2")으로부터 부품(1a, 1b, 1c)의 절단이 수행된다. 부품(1a, 1b, 1c)은 이송 유닛(600)을 통해 아래로 이송된다.The coated metal plate 2 ′ is now transferred into one or more deformation units 300. There, a deformation process is performed on the coated metal plate 2 ', in particular for the formation of the gas distribution structure 5. At this time, the coated metal plate 2 'is deformed in three dimensions, and in some cases, a slot or recess is formed in the coated metal plate in another deforming unit and / or shearing unit 400. It also becomes. The coated and deformed metal plate 2 "is supplied to the stamping unit 500 to form a plurality of parts 1a, 1b, 1c. The parts 1a, 1b, from the coated and deformed metal plate 2", The cutting of 1c) is performed. The parts 1a, 1b, 1c are conveyed down through the conveying unit 600.

코팅된 잔여 금속판(2"')은 제2 릴(30')에 의해 제2 롤(20')로 권취되며, 이때 제1 롤(20)로부터 제2 롤(20')로 금속판(2)의 연속 이송이 실시된다. 이 경우, 금속 스트립(2)의 가공은 소위 인라인 공정에서 효율적이면서 비용 절약적으로 실시된다.The remaining metal plate 2 ′ ′ coated is wound onto the second roll 20 ′ by the second reel 30 ′, wherein the metal plate 2 is transferred from the first roll 20 to the second roll 20 ′. In this case, the processing of the metal strip 2 is performed efficiently and cost-effectively in a so-called in-line process.

하나 이상의 코팅 장치를 통과한 후에, 코팅된 금속판을 냉각시켜야 할 수 있다. 그렇기 때문에, 하나 이상의 코팅 장치와 하나 이상의 변형 유닛 사이에 하나 이상의 냉각 챔버가 중간 연결될 수 있다. 또한, 하나 이상의 코팅 장치 이전에, 금속 스트립의 선택적 예열 또는 가열 외에, 특히 하나 이상의 코팅 장치 내로 삽입되기 전에 금속 스트립에서 필요한 대기압을 발생시키기 위해 이용되는 하나 이상의 진공 챔버가 연결될 수 있다. 따라서, 물리적 및/또는 화학적 기상 증착 공정은 통상 진공 상태에서 수행된다.After passing through one or more coating devices, it may be necessary to cool the coated metal plate. As such, one or more cooling chambers may be intermediately connected between the one or more coating devices and the one or more deformation units. In addition, prior to the one or more coating devices, one or more vacuum chambers used to generate the required atmospheric pressure in the metal strip may be connected, in addition to the selective preheating or heating of the metal strip, especially before being inserted into the one or more coating devices. Thus, physical and / or chemical vapor deposition processes are usually performed in vacuum.

도 2는, 도 1에 도시된 방법에 따라 형성된, 가스 분배 구조물(5)를 갖는 부품(1a, 1b)을 보여주며, 이 경우 부품들(1a, 1b)은 레이저 용접에 의해 하나의 바이폴라 플레이트(10)에 접합되었다. 각각의 부품(1a, 1b)은 커버층(3a)을 포함한 층 시스템(3)을 구비한다. 도 1에서와 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들을 나타낸다.FIG. 2 shows parts 1a, 1b having a gas distribution structure 5, formed according to the method shown in FIG. 1, in which case the parts 1a, 1b are one bipolar plate by laser welding. (10). Each component 1a, 1b has a layer system 3 comprising a cover layer 3a. The same reference numerals as in Fig. 1 denote the same elements.

도 3은, 적층된 층 시스템(3)의 영역에서 도 2에 따른 부품(1a)을 절단한 단면을 보여준다. 스테인리스강 소재의 금속판(2) 상에, 층 시스템(3)이 일 측에서 전면에 걸쳐 제공되어 있다. 층 시스템(3)은, 커버층(3a)과; 제1 하위층(4a) 및 제2 하위층(4b)을 포함하는 하위층 시스템(4);을 포함한다.FIG. 3 shows a cross section through the part 1a according to FIG. 2 in the area of the layered layer system 3. On a metal plate 2 made of stainless steel, a layer system 3 is provided from one side over the entire surface. The layer system 3 includes: a cover layer 3a; And a lower layer system 4 including a first lower layer 4a and a second lower layer 4b.

금속판(2)은, 본 실시예에서는 (개질된) 수소의 변환을 위한 고분자 전해질 연료 전지의 바이폴라 플레이트(10)를 위해, 스테인리스강, 특히 내식성과 관련하여 매우 높은 공지된 요건을 갖춘, 예컨대 DIN ISO 재료 번호 1.4404를 갖는 소위 오스테나이트계 강 소재의 도체의 형태로 제조된다.The metal plate 2, in this embodiment, for the bipolar plate 10 of a polymer electrolyte fuel cell for the conversion of (modified) hydrogen, has very high known requirements with respect to stainless steel, especially corrosion resistance, eg DIN It is made in the form of conductors of so-called austenitic steel materials with ISO material number 1.4404.

층 시스템(3)은 코팅 공정, 예를 들어 진공 기반 코팅 공정(PVD)에 의해 금속판(2) 상에 형성되며, 이 경우 금속판(2)은 하나의 공정 사이클에서 먼저 예를 들어 0.5㎛ 두께의 티타늄 층 형태의 제1 하위층(4a)으로 코팅되고, 이어서 예를 들어 1㎛ 두께의 질화 티타늄 층 형태의 제2 하위층(4b)으로 코팅되며, 마지막으로 예를 들어 10㎚ 두께의 이리듐-탄소 층 형태의 커버층(3a)으로 코팅된다. 커버층(3a)은 일 측이 개방된 층에 상응하는데, 그 이유는 또 다른 층, 본 실시예에서는 제2 하위층(4b)의 한 쪽 커버층 면만 상기 커버층과 접촉하도록 형성되기 때문이다. 따라서, 커버층(3a)의 자유 표면은 연료 전지 내에서 전해질, 특히 중합체 전해질에 직접 인접하여 배치되고 노출된다.The layer system 3 is formed on the metal plate 2 by a coating process, for example, a vacuum-based coating process (PVD), in which case the metal plate 2 is first, for example 0.5 μm thick, in one process cycle. Coated with a first sub-layer 4a in the form of a titanium layer, followed by a second sub-layer 4b in the form of a titanium nitride layer, for example 1 μm thick, and finally an iridium-carbon layer, for example 10 nm thick It is coated with a cover layer 3a in the form. The cover layer 3a corresponds to an open layer on one side, because another layer, in this embodiment, only one side of the cover layer of the second sub-layer 4b is formed to contact the cover layer. Thus, the free surface of the cover layer 3a is placed and exposed directly adjacent to the electrolyte, especially the polymer electrolyte, in the fuel cell.

제2 실시예에서는, 바이폴라 플레이트(10)용 금속판(2)이 먼저 100㎚ 두께의 금속 합금 층 형태의 제1 하위층(4a)으로 코팅되며, 이 경우 금속 합금 층은 조성 Ti0.67Nb0.33의 조성을 갖는다. 이어서, x = 0.40 내지 0.55인 조성 (Ti0 . 67Nb0 . 33)1 - xNx의 400㎚의 두께를 갖는 제2 하위층(4b)의 추가 적층이 실시된다. 그 다음에, 10㎚의 두께로 이리듐-탄소 조성의 커버층(3a)이 적층된다.In the second embodiment, the metal plate 2 for the bipolar plate 10 is first coated with a first sub-layer 4a in the form of a 100 nm thick metal alloy layer, in which case the metal alloy layer has a composition Ti 0.67 Nb 0.33 . Have Then, x = 0.40 to 0.55 in the composition (Ti 0 67 Nb 0 33. .) 1 - the additional stack of the second sub-layer (4b) having a thickness of 400㎚ x N x is carried out. Then, a cover layer 3a of an iridium-carbon composition with a thickness of 10 nm is stacked.

본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(10)의 장점은, 산화에 대해 특별히 높은 안정성을 갖는다는 점이다. +3000mV의 지속적인 부하 하에서도, 3의 pH-값을 갖는 황산 용액 내에서 일반 수소 전극에 비해 저항 증가가 확인되지 않는다. 외부에서는, 커버층(3a)의 자유 표면, 이로써 금속판(2)으로부터 먼 쪽을 향해 형성된 커버층(3a)의 면이, 일반 수소 전극과 비교하여 +2000mV에서 50시간의 연속 부하 후에도 은빛이 유지된다. 심지어 주사 전자 현미경 검사에서도, 커버층(3a)의 두께에 의해 금속판(2) 쪽으로 연장되거나 금속판(2)에 도달하는 부식의 흔적은 전혀 검출될 수 없다.An advantage of the bipolar plate 10 according to the invention is that it has a particularly high stability to oxidation. Even under a constant load of +3000 mV, no increase in resistance was observed in a sulfuric acid solution having a pH-value of 3 compared to a normal hydrogen electrode. Externally, the free surface of the cover layer 3a, whereby the surface of the cover layer 3a formed toward the far side from the metal plate 2, retains silver color even after 50 hours of continuous load at +2000 mV compared to a normal hydrogen electrode. do. Even in scanning electron microscopy, no trace of corrosion that extends toward the metal plate 2 or reaches the metal plate 2 by the thickness of the cover layer 3a can be detected.

제2 실시예의 커버층(3a)은, 진공 기반의 PVD 스퍼터링 기술뿐만 아니라 진공 아크 증발이라고도 불리는 음극 ARC 코팅 공정에 의해서도 도포될 수 있다. 액적 수가 더 많음에도, 달리 표현하면 스퍼터링 기술에 비해 금속 액적의 수가 증가하였음에도, 음극 ARC 공정에서 제조된 커버층(3a) 역시 시간 안정적인 표면 전도성과 동시에, 스퍼터링 기술에 의해 제조된 커버층(3a)의 바람직한 높은 내식성을 갖는다.The cover layer 3a of the second embodiment can be applied by a vacuum-based PVD sputtering technique as well as a cathode ARC coating process, also called vacuum arc evaporation. Although the number of droplets is larger, in other words, the number of metal droplets is increased compared to the sputtering technique, the cover layer 3a manufactured in the cathode ARC process is also time-stable surface conductivity, and at the same time, the cover layer 3a produced by sputtering technique. It has high corrosion resistance.

제3 실시예에서는, 구조화된 스테인리스강 천공 시트 형태의 층 시스템(3)이 금속판(2) 상에 형성된다. 금속판(2)은 층 시스템(3)의 제공 전에 H2SO4/H3PO4 조(bath) 내에서 전기 분해 방식으로 광택 처리된다. 수천 ㎚ 두께의 탄탈탄화물 층의 형태로 단 하나의 하위층이 적층된 후에, 수백 ㎚ 두께의 이리듐-탄소 층 형태의 커버층(3a)이 적층된다.In the third embodiment, a layered system 3 in the form of a structured stainless steel perforated sheet is formed on the metal plate 2. The metal plate 2 is polished electrolytically in an H 2 SO 4 / H 3 PO 4 bath before providing the layer system 3. After only one sublayer is stacked in the form of a tantalum carbide layer thousands of nm thick, a cover layer 3a in the form of a iridium-carbon layer hundreds of nm thick is stacked.

탄탈 탄화물로 형성된 하위층의 장점은, 하위층 자체의 탁월한 내식성뿐만 아니라, 수소를 흡수하지 않음으로써 금속판(2)에서 수소 배리어로서 이용된다는 데에도 있다. 탄탈 탄화물은 티타늄이 금속판으로서 사용되는 경우에 특히 장점이 된다.The advantage of the lower layer formed of tantalum carbide is not only the excellent corrosion resistance of the lower layer itself, but also that it is used as a hydrogen barrier in the metal plate 2 by not absorbing hydrogen. Tantalum carbide is particularly advantageous when titanium is used as the metal plate.

제3 실시예의 층 시스템(3)은, 500mA ㎝-2보다 큰 전류 밀도(i)에서 수소를 발생시키기 위해 전기 분해 셀을 사용하기에 적합하다.The layer system 3 of the third embodiment is suitable for using an electrolysis cell to generate hydrogen at a current density i greater than 500 mA cm -2 .

층 시스템 내에서 중간에 놓여 있는 그리고/또는 양측이 폐쇄된 준금속 층 또는 가장 간단한 경우 예를 들어 티타늄 질화물로 형성된 제2 하위층의 장점은, 10 내지 12mΩ·㎝-2의 낮은 전기 저항이다. 마찬가지로, 커버층은 제2 하위층 또는 준금속 층 없이도 가능한 저항 증가 하에 형성될 수 있다. 표 1에는, 자체 특성값을 갖는 몇몇 층 시스템의 예시가 기재되어 있다.The advantage of a semi-metal layer lying in the middle and / or closed on both sides in a layer system or, in the simplest case, for example a second sub-layer formed of titanium nitride, is a low electrical resistance of 10 to 12 mΩ · cm −2 . Likewise, the cover layer can be formed under a possible increase in resistance without the need for a second sub-layer or a metalloid layer. Table 1 shows examples of some layer systems with their own properties.

층들 및 선택된 특성값들Layers and selected property values 층 시스템 /
층 두께
Floor system /
Layer thickness
T = 20℃일 때,
비표면저항
(mΩ·㎝-2 단위)
When T = 20 ° C,
Specific surface resistance
(mΩ · cm -2 units)
2000mV 표준 수소 전극에서, T = 80℃일 때, 황산 수용액(pH = 3) 내 부식 전류
(㎂㎝-2 단위)
Corrosion current in aqueous sulfuric acid solution (pH = 3) at T = 80 ° C in a 2000 mV standard hydrogen electrode
(㎂㎝ -2 units)
2000mV에서 표면 저항의 변동으로서 측정된 산화 안정성
(mΩ·㎝-2 단위)

목표값: < 20mΩ·㎝-2
Oxidation stability measured as fluctuation of surface resistance at 2000 mV
(mΩ · cm -2 units)

Target value: <20mΩ · cm -2
1One 금 / 3㎛
(기준)
Gold / 3㎛
(standard)
99 > 100 피팅 전류> 100 fitting current 9 내지 109 to 10
22 Ti / 0.5㎛
TiN / 1㎛
Ir0.99 - C0.01 / 10㎚
Ti / 0.5㎛
TiN / 1㎛
Ir 0.99 -C 0.01 / 10 nm
88 0.0010.001 1212
33 Ti0.67Nb0.33 / 0.1㎛
(Ti0.67Nb0.33)1-xNx
여기서, x = 0.40 내지 0.55 / 0.4㎛
Ir0.99 - C0.01 / 10㎚
Ti 0.67 Nb 0.33 / 0.1㎛
(Ti 0.67 Nb 0.33 ) 1-x N x
Here, x = 0.40 to 0.55 / 0.4㎛
Ir 0.99 -C 0.01 / 10 nm
7 내지 87 to 8 0.010.01 1 내지 21 to 2
44 Zr / 0.5㎛
ZrN / 1㎛
Ir0.99 - C0.01 / 10㎚
Zr / 0.5㎛
ZrN / 1㎛
Ir 0.99 -C 0.01 / 10 nm
1111 0.0010.001 11 내지 1211 to 12
55 Ta / 0.05㎛
TaC / 0.5㎛
Ir0.991 - C0.009 / 5㎚
Ta / 0.05㎛
TaC / 0.5㎛
Ir 0.991 -C 0.009 / 5nm
1010 0.0010.001 17 내지 1817 to 18
66 ZrB2 / 0.3㎛
Ir0.7 -B0.3 / 5㎚
ZrB 2 / 0.3㎛
Ir 0.7 -B 0.3 / 5 nm
77 4시간 부하 이후의 피팅 반응Fitting response after 4 hours load

표 1에는 일부 예시적인 층 시스템만 기재되어 있다. 바람직한 방식으로, 층 시스템은 +2000mV의 양극 부하에서, 80℃의 값을 갖는 온도에서 수 주에 걸쳐 황산 용액 내 표준 수소 전극에 비해 저항 증가를 전혀 보이지 않는다. 고진공 상태에서 스퍼터링 공정 또는 ARC 공정을 이용하여 적층되었거나, 미세 진공 상태에서 PECVD 공정(플라즈마 지원 화학 기상 증착 공정)을 이용하여 적층된 층 시스템은, 상기 부하 시간 이후에 부분적으로 어둡게 변색되었다. 하지만, 눈에 보이는 부식 현상 또는 표면 저항의 현저한 변동은 발생하지 않았다.Table 1 lists only some exemplary layer systems. In a preferred manner, the layer system shows no increase in resistance compared to a standard hydrogen electrode in a sulfuric acid solution over several weeks at a temperature with a value of 80 ° C., at an anode load of +2000 mV. The layer system laminated using a sputtering process or ARC process in a high vacuum state or a PECVD process (plasma assisted chemical vapor deposition process) in a fine vacuum state was partially darkened after the load time. However, no visible corrosion phenomenon or significant fluctuation in surface resistance occurred.

1a, 1b, 1c: 부품
2: 금속판
2': 코팅된 금속판
2": 코팅되고 변형된 금속판
2"': 잔여 금속판
3: 층 시스템
3a: 커버층
4: 하위층 시스템
4a: 제1 하위층
4b: 제2 하위층
5: 가스 분배 구조물
10: 바이폴라 플레이트
20: 금속판으로 이루어진 제1 롤
20': 잔여 금속판으로 이루어진 제2 롤
30, 30': 릴
100: 장치
200a, 200b: 코팅 유닛(들)
300: 변형 유닛(들)
400: 변형 및/또는 전단 절단 유닛
500: 스탬핑 유닛
600: 이송 유닛
1a, 1b, 1c: parts
2: Metal plate
2 ': coated metal plate
2 ": coated and deformed metal plate
2 "': Residual metal plate
3: Floor system
3a: cover layer
4: Lower layer system
4a: first lower layer
4b: second lower layer
5: gas distribution structure
10: bipolar plate
20: first roll made of a metal plate
20 ': second roll made of residual metal plate
30, 30 ': Reel
100: device
200a, 200b: coating unit (s)
300: deformation unit (s)
400: deforming and / or shear cutting unit
500: stamping unit
600: transfer unit

Claims (10)

부품(1a, 1b, 1c), 특히 연료 전지 또는 전해조와 같은 에너지 시스템용 부품을 제조하기 위한 방법으로서,
연속하는 단계들:
a) 500㎛ 미만의 금속판(2)의 재료 두께를 갖는 금속판(2)으로부터 제1 롤(20)을 제공하는 단계,
b) 상기 제1 롤(20)의 제1 단부를 공급 방향으로 이송함으로써, 제1 롤(20)로부터 금속판(2)을 권출하는 단계,
c) 제1 롤(20)의 제1 단부 및 후속하는 금속판 영역을 하나 이상의 코팅 장치(200a, 200b)를 통과하도록 이송하며, 상기 코팅 장치 내에서 금속판(2)의 적어도 한 쪽 면을 물리적 및/또는 화학적 기상 증착 공정에 의해 코팅하는 단계,
d) 코팅된 금속판(2') 상에서 하나 이상의 변형 공정을 수행하는 단계,
e) 코팅된 금속판(2')으로부터의 절단에 의해 복수의 부품(1a, 1b, 1c)을 형성하는 단계, 및
f) 코팅된 잔여 금속판(2")을 제2 롤(20')로 권취하고, 이때 제1 롤(20)로부터 제2 롤(20')로 금속판(2)의 연속 이송이 수행되는 단계를 포함하는, 부품 제조 방법.
A method for manufacturing parts (1a, 1b, 1c), especially parts for energy systems, such as fuel cells or electrolytic cells,
Consecutive steps:
a) providing a first roll 20 from a metal plate 2 having a material thickness of a metal plate 2 of less than 500 μm,
b) unwinding the metal plate 2 from the first roll 20 by conveying the first end of the first roll 20 in the supply direction,
c) conveying the first end of the first roll 20 and subsequent metal plate regions to pass through one or more coating devices 200a, 200b, wherein at least one side of the metal plate 2 is physically and physically within the coating device. / Or coating by a chemical vapor deposition process,
d) performing one or more deformation processes on the coated metal plate 2 ',
e) forming a plurality of parts 1a, 1b, 1c by cutting from the coated metal plate 2 ', and
f) winding the coated remaining metal plate (2 ") with a second roll (20 '), wherein the continuous transfer of the metal plate (2) from the first roll (20) to the second roll (20') is performed Including, parts manufacturing method.
제1항에 있어서, 하나 이상의 변형 공정은 딥 드로잉 및/또는 압출 가공 및/또는 하이드로포밍을 포함하는, 부품 제조 방법.The method of claim 1, wherein the one or more deformation processes include deep drawing and / or extrusion processing and / or hydroforming. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 코팅 장치(200a, 200b)에 의해, 금속판(2)으로부터 먼 쪽을 향하는 커버층(3a)을 포함하는 층 시스템(3)이 금속판(2) 상에 제공되고, 상기 커버층(3a)은 동종의 또는 이종의 금속 고용체로부터 형성되며, 상기 고용체는 이리듐 형태의 귀금속 군으로부터 선택된 제1 화학 원소를 99At.-% 이상의 농도로 함유하거나,
이리듐 형태의 귀금속 군으로부터 선택된 제1 화학 원소 및 루테늄 형태의 귀금속 군으로부터 선택된 제2 화학 원소를 함유하고, 이때 제1 화학 원소와 제2 화학 원소 원소는 총 99At.-% 이상의 농도로 존재하며, 나아가 질소, 탄소, 불소를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 비금속 화학 원소를 함유하고, 나아가 선택적으로 산소 및/또는 수소가 오직 미량으로만 존재하는, 부품 제조 방법.
The layer system (3) according to claim 1 or 2, comprising a cover layer (3a) facing away from the metal plate (2) by one or more coating devices (200a, 200b) on the metal plate (2). Is provided, the cover layer (3a) is formed from a homogeneous or heterogeneous metal solid solution, the solid solution contains a first chemical element selected from the group of precious metals in the iridium form at a concentration of 99At .-% or more,
Contains a first chemical element selected from the iridium-type precious metal group and a second chemical element selected from the ruthenium-type precious metal group, wherein the first chemical element and the second chemical element element are present in a concentration of at least 99At .-%, Furthermore, the method of manufacturing a part, containing at least one non-metallic chemical element selected from the group containing nitrogen, carbon, and fluorine, and further optionally presenting only oxygen and / or hydrogen in trace amounts.
제3항에 있어서, 층 시스템(3)이 또한 하위층 시스템(4)을 포함하여 형성되며, 하위층 시스템(4)은 티타늄, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 탄탈륨 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소를 포함하는 하나 이상의 하위층(4a, 4b)을 갖는, 부품 제조 방법.4. The layer system (3) according to claim 3, wherein the layer system (3) is also formed comprising a lower layer system (4), the lower layer system (4) comprising one or more chemical elements selected from the group titanium, niobium, hafnium, zirconium, tantalum. The component manufacturing method which has the above sublayers (4a, 4b). 제4항에 있어서, 하위층 시스템(4)이, 화학 원소 티타늄 및 니오븀을 포함하는 금속 합금 층 형태의 하나 이상의 제1 하위층(4a)을 포함하고; 티타늄, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 탄탈륨 군으로부터 선택된 하나 이상의 화학 원소 및 질소, 탄소, 붕소, 불소 군으로부터 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 더 포함하는 제2 하위층(4b)을 더 포함하여 형성되는, 부품 제조 방법.5. The system according to claim 4, wherein the lower layer system (4) comprises at least one first lower layer (4a) in the form of a metal alloy layer comprising the chemical elements titanium and niobium; Part manufacturing, further comprising a second sub-layer (4b) further comprising at least one chemical element selected from the group of titanium, niobium, hafnium, zirconium, tantalum and at least one non-metallic element selected from the group of nitrogen, carbon, boron, fluorine Way. 제5항에 있어서, 제2 하위층(4b)이 제1 하위층(4a)과 커버층(3a) 사이에 배치되는, 부품 제조 방법.6. Method according to claim 5, wherein a second sub-layer (4b) is disposed between the first sub-layer (4a) and the cover layer (3a). 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 제조된 하나 이상의 부품(1a, 1b, 1c)을 포함하는 바이폴라 플레이트(10).A bipolar plate (10) comprising one or more parts (1a, 1b, 1c) made according to any one of the preceding claims. 제7항에 있어서, 접합에 의해 서로 연결된 2개의 부품(1a, 1b)을 포함하는 바이폴라 플레이트(10).The bipolar plate (10) according to claim 7, comprising two parts (1a, 1b) connected to each other by bonding. 제7항 또는 제8항에 따른 하나 이상의 바이폴라 플레이트(10)를 포함하는, 연료 전지, 특히 중합체 전해질 연료 전지.A fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, comprising at least one bipolar plate 10 according to claim 7. 제7항 또는 제8항에 따른 하나 이상의 바이폴라 플레이트(10)를 포함하는 전해조.An electrolytic cell comprising at least one bipolar plate (10) according to claim 7 or 8.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021082576A (en) * 2019-11-20 2021-05-27 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Separator, fuel battery, and manufacturing method of separator
EP4141145A1 (en) 2021-08-23 2023-03-01 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis and corrosion-resistant coating

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6203936B1 (en) * 1999-03-03 2001-03-20 Lynntech Inc. Lightweight metal bipolar plates and methods for making the same
DE10058337A1 (en) 2000-11-24 2002-05-29 Gen Motors Corp Sheet product used as a bipolar plate in a fuel cell or in an electrolyzer has a conductive corrosion resistant protective coating made from a metal oxide on one side.
US20040247978A1 (en) * 2001-09-18 2004-12-09 Takayuki Shimamune Bipolar plate for fuel cell and method for production thereof
US7632592B2 (en) * 2004-11-01 2009-12-15 Gm Global Technology Operations, Inc. Method of fabricating corrosion-resistant bipolar plate
KR101102905B1 (en) * 2006-04-14 2012-01-11 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 Reliable fuel cell electrode design
JP5205814B2 (en) * 2006-08-09 2013-06-05 大同特殊鋼株式会社 Metal separator for fuel cell and fuel cell using the same
JP5059448B2 (en) * 2007-02-28 2012-10-24 三菱電機株式会社 Fuel cell separator and fuel cell
DE102007032116A1 (en) * 2007-07-09 2009-01-15 Thyssenkrupp Steel Ag Bipolar plate for a fuel cell and fuel cell stack
US20090035632A1 (en) * 2007-07-31 2009-02-05 Kirkwood Brad L Solid oxide fuel cell electrode systems and methods
JP4434264B2 (en) * 2007-11-05 2010-03-17 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell, fuel cell manufacturing method and fuel cell gas flow channel structure
US8246808B2 (en) * 2008-08-08 2012-08-21 GM Global Technology Operations LLC Selective electrochemical deposition of conductive coatings on fuel cell bipolar plates
EP2382336B1 (en) * 2008-12-29 2013-03-06 Hille & Müller GmbH Coated product for use in an electrochemical device and a method for producing such a product
US8182963B2 (en) 2009-07-10 2012-05-22 GM Global Technology Operations LLC Low-cost manganese-stabilized austenitic stainless steel alloys, bipolar plates comprising the alloys, and fuel cell systems comprising the bipolar plates
DE102009056728A1 (en) 2009-12-04 2011-06-09 Benteler Automobiltechnik Gmbh Method for hot forming and hardening sheet metal part with flanges in cooled forming tool, involves inserting heated sheet metal blank in forming tool
DE102010032770A1 (en) * 2010-07-29 2012-02-02 Li-Tec Battery Gmbh Method and device for producing a multilayer electrode structure, galvanic cell
DE102010056016A1 (en) 2010-12-23 2012-06-28 Daimler Ag Device for manufacturing bipolar plate for fuel cell, has substrate strips that are provided between upper and central tool sections and between lower and central tool sections for producing anode and cathode plates in parallel time steps
EP2608299B1 (en) * 2011-12-22 2014-04-09 Feintool Intellectual Property AG Device and method for manufacturing metallic bipolar panels
JP2013137883A (en) * 2011-12-28 2013-07-11 Hitachi Ltd Laminated fuel cell
JP2014078336A (en) * 2012-10-09 2014-05-01 Nissan Motor Co Ltd Method and device for manufacturing separator for fuel cell
DE102016202372A1 (en) * 2016-02-17 2017-08-17 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Layer and layer system, as well as bipolar plate, fuel cell and electrolyzer

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